Hybridní střídač: typy střídačů a rozdíly od UPS

V oblastech vzdálených od velkých sídel dochází často k výpadkům proudu. V tomto ohledu se mnoho majitelů soukromých domů vybavuje autonomními energetickými systémy, které zajišťují nezávislost na centrálních sítích. Někteří z nich se nechtějí zcela vzdát centralizovaného napájení a používají smíšené schéma. V takových případech jsou solární panely a větrné turbíny zapojeny a pracují paralelně se sítěmi 220 V AC. Hlavním prvkem takových komplexů je hybridní střídač, který zajišťuje nepřetržitý provoz systému.

Hlavní typy střídačů a možnosti hybridních zařízení

Kombinovaná zařízení využívající přírodní energii a centrální sítě mají nepochybné výhody. Základem takových komplexů je solární energetický systém (obr. 1), zahrnující solární panely, baterii a regulátor nabíjení. Hlavním prvkem je střídač, který převádí stejnosměrný proud ze solárních panelů na střídavé napětí 220 V. Bez tohoto zařízení ztrácí získávání přírodní elektřiny veškerý smysl.

Samotné střídače se podle své funkčnosti konvenčně dělí na síťové (obr. 2), autonomní (obr. 3) a hybridní (obr. 4).

Síťová zařízení jsou připojena k běžným elektrickým sítím. Na výstupu jsou spotřebiče připojeny k měniči. Toto je nejjednodušší schéma s použitím měniče a má určitá omezení. Systém může fungovat pouze tehdy, je-li v síti střídavý proud. Parametry síťového napětí musí být relativně stabilní a odpovídat technickým vlastnostem měniče.

Síťová zařízení jsou nejvhodnější pro venkovské domy s elektrifikací za tzv. zelený tarif. Během dne, při nízkém zatížení, zařízení a vybavení fungují z vlastní energie a v noci je zařízení napájeno centralizovaným zdrojem energie.

Viz také:
Regulátor nabíjení solárních baterií

Autonomní systémy fungují na baterii. Energie solárních panelů se zpočátku akumuluje v baterii a poté je prostřednictvím střídače a MPPT regulátoru dodávána spotřebitelům. Provoz z baterie se provádí při nedostatečné sluneční aktivitě, kdy panely nezvládají připojenou zátěž. Takové systémy fungují nezávisle na centrálních klimatizačních sítích. Jejich účinnost může v některých případech dosáhnout 90 % nebo více. Používají se při úplné absenci dodávky elektřiny nebo nízké kvalitě dodávané elektřiny.

Hybridní solární invertor se výrazně liší od síťových a autonomních systémů. Je vybaven speciálními elektrickými obvody, které mu umožňují současný provoz v režimu konverze a připojení k externím zdrojům energie. Napájení zařízení a vybavení pochází ze solárních panelů a z centrální sítě. V tomto svazku má výhodu zdroj stejnosměrného proudu.

Schémata využívající hybridní střídače mají následující výhody:

• Elektrická síť funguje jako druh baterie s maximální účinností. Veškerá přebytečná elektřina vyrobená panely je za speciální cenu odesílána do centrální sítě.
• Nepřerušitelný zdroj napájení. Při přerušení hlavního napájení systém začne fungovat v autonomním režimu, což poskytuje dodatečnou ochranu před přepětím a poklesy napětí.
• Během období špičkového zatížení lze limit výkonu zvýšit přidáním energie ze střídače a baterie k celkové hmotnosti. Po poklesu zátěže se systém přepne do režimu nabíjení a po chvíli je opět připraven k použití.

Existují modely multifunkčních střídačů, ke kterým lze současně připojit několik střídavých vedení a provádět automatické zadávání rezervy. Zařízení vytvořená s využitím špičkových technologií nezávisle regulují úroveň nabití baterie.

Rozdíl mezi měničem a UPS

Při návrhu hybridního napájecího systému je nutné zohlednit potenciální schopnosti hlavního střídače dodávat elektřinu připojené zátěži. Tato zařízení se poměrně často nazývají nepřerušitelné zdroje napájení (UPS). Navzdory celé řadě shodných funkcí a úkolů se však v podstatě jedná o dvě různá zařízení, která se od sebe výrazně liší.

Faktem je, že UPS je střídač s dodatečným vestavěným nabíjecím zařízením. Tento modul je určen pro primární spotřebu elektřiny generované fotobuňkami a pouze v případě jejího nedostatečného množství přepne na síťovou spotřebu. UPS nemá obvod, který by umožňoval společné využití energie z baterií a elektřiny z centrální sítě. Jsou navrženy pro oddělenou spotřebu a přepínají se mezi sebou, když nastanou určité podmínky.

Takový provoz v režimu neustálého přepínání zvyšuje počet cyklů nabíjení a vybíjení baterie, což způsobuje její předčasné opotřebení. Levné nepřerušitelné zdroje napájení nemají možnost upravovat prahové hodnoty napětí.

Hybridní střídače používané společně se solárními panely nemají všechny uvedené nevýhody typické pro UPS. Tato zařízení se automaticky přizpůsobují požadovanému výkonu a mohou současně pracovat s různými typy zdrojů energie. Nastavení umožňují volbu prioritní spotřeby a ve většině případů je tato role přidělena solárním panelům. Některé hybridní modely jsou schopny omezit výkon přicházející z centrální sítě.

Rozdíly výstupních signálů

Při výběru hybridního střídače pro solární systém byste měli zvážit typ jeho výstupního signálu. Může mít formu čisté sinusové vlny, modifikované sinusové vlny nebo meandrového tvaru. S druhým typem se v praxi téměř nesetkáváme, protože prudká změna polarity může způsobit nestabilní a nestabilní provoz zařízení. Takové střídače nechrání před přepětím a samotný meandrový proud většina elektrických spotřebičů jednoduše nevnímá.

Čistá sinusová vlna patří do kategorie vysoce kvalitních signálů, které výrazně překračují tvar typický pro běžný síťový proud. Zajišťují normální provoz zařízení se zvýšenou citlivostí – elektromotorů, topných kotlů, kompresorů, lékařských zařízení. Vážnou nevýhodou měničů s čistou sinusovou vlnou jsou jejich příliš velké rozměry a vysoká cena. Cena těchto zařízení je přibližně dvakrát vyšší než u méně kvalitních zařízení se stejným výstupním výkonem.

Modifikovaná sinusová vlna nebo kvazisinusová vlna snižuje účinnost některých zařízení. Takové signály přispívají k výskytu cizího šumu, rušení a v některých případech i k selhání zařízení. Synchronní a asynchronní elektromotory, nízkofrekvenční transformátory a další jednotky k nim připojené ztrácejí svůj výkon přibližně o 20–30 %.

Takové ztráty vedou k nadměrné tepelné energii, která způsobuje zahřívání elektrických spotřebičů. Modifikované signální měniče jsou levnější a kompaktnější. Fungují poměrně efektivně se zařízeními, která nemají indukční zátěž – žárovky, ohřívače atd.

Klasifikace podle počtu fází

Střídače používané v hybridních systémech se klasifikují podle počtu fází a mohou být jednofázové nebo třífázové. Jednofázová zařízení se obvykle používají v systémech se solárními panely se standardním jmenovitým napětím 220 voltů. Napájejí domácí spotřebiče a další zařízení. Výstupní napětí připojené k jedné fázi může kolísat v rozsahu od 210 do 240 V, změny frekvence na výstupu jsou 47-55 Hz a kolísání výkonu je od 300 W do 5 kW.

Modifikace jednofázových střídačů pracují s různým napětím baterie – 12, 24 a 48 voltů. Je nežádoucí, aby měnič pracoval v kritických podmínkách, na hranici svých možností, proto je jeho výkon přizpůsoben napětí baterie nebo solárních panelů.

Třífázový hybridní střídač je navržen pro provoz s odpovídajícími proudy používanými k napájení třífázových elektromotorů. Instalují se ve výrobních dílnách a prostorách, v komerčních zařízeních. Tato zařízení se vyznačují velmi vysokým výkonem – od 3 do 30 kW a střídavým napětím v širokém rozsahu – od 220 do 400 voltů.

Moderní trh s elektrospotřebiči je také reprezentován kombinovanými měniči. Zpravidla se jedná o jednofázová zařízení schopná synchronizovat výstupy s fázovým posunem. Díky tomu je možné napájet třífázové zátěže.

Kritéria výběru střídače

Správný výběr střídačového zařízení zajišťuje nejefektivnější provoz celého systému. Zařízení by proto měla být vybírána na základě určitých kritérií, parametrů a technických vlastností.

Jedním z hlavních ukazatelů je výkon měniče. Jeho jmenovitý výkon se doporučuje volit na základě největšího odhadovaného zatížení a odhadované doby autonomního režimu. Je také nutné zohlednit počáteční okamžik, kdy se výkon na krátkou dobu výrazně zvýší při zapnutí kapacitních zátěží, například ledniček nebo praček. Jmenovitý výkon samotného zařízení je uveden na jeho těle nebo v technické dokumentaci.

Počet ochranných funkcí je velmi důležitý. Vysoce kvalitní modely jsou nutně vybaveny vícestupňovou ochranou proti přepětí a poklesu napětí, zkratům, přehřátí a dalším negativním faktorům. Pevné utěsněné pouzdro chrání hybridní střídač před vlhkostí a prachem. Ochranné vlastnosti zařízení jsou potvrzeny odpovídajícím označením.

Je nutné vzít v úvahu rozsah provozních teplot, při kterých může zařízení běžně vykonávat své funkce. To platí zejména pro modely určené k použití v nevytápěných místnostech. Je také nutné věnovat pozornost hmotnosti zařízení, protože se předpokládá, že čím vyšší je hmotnost, tím lepší je střídač. Velká hmotnost naznačuje přítomnost těžkého, vysoce kvalitního transformátoru.

Multimetr: účel, druhy, označení, značení, co lze multimetrem měřit

Nejlepší nejlepší multimetry

Jak vybrat UPS pro váš počítač: jaké jsou rozdíly a hodnocení nejlepších

Který stabilizátor napětí je lepší koupit – TOP nejlepší pro dům, chatu, kotel, ledničku v roce 2025

Jak připojit třífázový motor k síti 380V

Výběr střídače by měl začít určením typu solární fotovoltaické instalace: připojená k síti, mimo síť, hybridní. Každý z uvedených systémů má své vlastní charakteristiky, pro které je vhodný pouze speciální střídač.

Další fází je stanovení výkonu solárních panelů, místa a způsobu jejich instalace. Velmi důležitým faktorem při výběru střídače je aktuální nesoulad solárních panelů z důvodu:

• instalace části solárních panelů pod jiným úhlem;
• instalace solárních panelů na různých místech s různou orientací na jih;
• problém periodického (denního) zastínění panelů;

Všechny tyto faktory ovlivňují výběr konkrétního modelu měniče, jako je měnič se dvěma MPPT regulátory nebo více samostatných měničů v instalaci.

Výkon invertoru a solárních panelů

Jmenovitý výkon na straně AC určuje maximální výkon spotřebičů, které lze připojit ke střídači, nebo maximální množství energie, které lze připojit k síti. Tento parametr je vždy uveden v technickém listu. Pro optimální účinnost by měl měnič pracovat co nejblíže jmenovitému výkonu. Účinnost konverze může být až 98 % v závislosti na modelu. Pokud klesne generovaný proud ze solárních panelů, například při zatažené obloze, kdy sluneční intenzita nepřesahuje 200 W/m², účinnost střídače prudce klesá.

Stejnosměrný výkon obecně není pevný a je určen na základě výstupního výkonu. Optimální rozsah výkonu pro solární pole je 80 až 120 % jmenovitého výkonu střídače. Výrobci střídačů obvykle doporučují mírně „přetížit“ střídač na straně DC, protože solární výkon je vždy nastaven na podmínky STC, kterých se v praxi dosahuje jen zřídka. Energie řádově 1000 W/m² po celý rok je jen několik dní až několik hodin, což je pouze 1-2 % celkové doby slunečního záření. Ve zbývajícím čase nepřekročí výkon slunečního záření 800-900 W/m². To znamená, že 98 % času solární panely pracují maximálně na 80-90 % své kapacity.

Výkon solárních článků se navíc časem provozu snižuje, je to způsobeno vlivem degradace křemíkových fotočlánků. Tento proces je poměrně pomalý, ale již v prvním roce provozu klesá produktivita v průměru o 1-2 procenta. Z toho vyplývá, že solární panely nikdy nedosahují jmenovitého výkonu pro podmínky STC uváděného výrobcem.

Specifikace měniče – Obecné údaje

Specifikace měniče – Výstupní data

Technická charakteristika střídače – vstupní data (např. pro výpočty vybereme střídač Fronius SYMO 10.0-3-M)

Vzhled střídače Fronius SYMO 10.0-3-M

Specifikace měniče

Pracovní rozsah měniče se nachází mezi hodnotami startovacího napětí U_{stejnosměrný start} a maximální napětí U_{stejnosměrný max}. Jakmile stejnosměrné napětí ze solárních panelů dosáhne hodnoty U_{stejnosměrný start}, střídač se aktivuje a začne hledat bod maximálního výkonu MPP. Pokud je tento bod mezi U_{stejnosměrný proud min} a U_{stejnosměrný start}, střídač se spustí a začne pracovat. Pokud napětí nepřekročí minimální hodnotu rozsahu MPPT U_{mpp min} – NEBO_{mpp max}, střídač pracuje na částečný výkon. Nejvyšší účinnosti měniče je dosaženo při napětí V_nom, takže konfigurace okruhu solárních článků by měla produkovat napětí blízké U_nom střídač.

Provozní plán střídače solární elektrárny

Shoda s napájením solárního panelu

Každý měnič má rozsah napětí MPPT uvedený v datovém listu. Tento parametr určuje, při jakém napětí na stejnosměrném vstupu střídače bude bod maximálního výkonu detekován algoritmem MPP. Dalším důležitým parametrem je minimální spínací napětí střídače. Toto je hodnota napětí FV modulů, při které se střídač spustí a začne vyrábět energii. V našem případě (tabulka výše) je rozsah MPPT 200-800 V a minimální napětí je 200 V.

Obě tyto hodnoty určují strukturu připojení solárních panelů na string (obvod), jejich počet a způsob připojení (sériové, paralelní, paralelně-sériové). Každý panel v řetězci generuje specifické napětí a proud v závislosti na okamžitém osvětlení a odpovídá charakteristice proud-napětí. Solární panely propojené mezi sebou v závislosti na okruhu (sériový, paralelní) sčítají napětí nebo proud. V žádném případě toto množství nesmí překročit přípustné hodnoty pro vybraný model měniče na straně DC.

Podívejme se například, jak se počítá počet panelů v kousku v souladu s technickými parametry střídače. Pro výpočty vybíráme panely o výkonu 450 W, od LG s níže uvedenými charakteristikami.

Specifikace solární baterie LG450N2W-E6

Mezi těmito parametry budou nejdůležitější:

• maximální výkon – P_mpp [W];
• tolerance výkonu – ± DP_mpp [%] (Tolerance výkonu);
• napětí naprázdno – U_vosy [V];
• zkratový proud – I_sc [A];
• napětí při maximálním výkonu – U_mpp [V];
• proud při maximálním výkonu – I_mpp [A];
• provozní teplota modulu ve jmenovitých podmínkách – NOCT [°C] (obvykle cca 43 ÷ 48 °C);
• teplotní koeficienty pro: I_sc, NEBO_oc, P_mpp, — α_T, b_T, c_T [%/°C].

Teplotní koeficienty umožňují vypočítat napětí a výkon generovaný solárním panelem za okrajových podmínek s konstantním slunečním zářením. Na Ukrajině mohou panely pracovat v teplotním rozsahu od -25 do + 70 °C, takže výpočty se provádějí pro takové okrajové podmínky.

Maximální proud obvodu

Proud generovaný solárními panely závisí na typu připojení. V sériovém zapojení se proud rovná hodnotě nejslabšího článku řetězce, například částečně zastíněného panelu. V paralelním zapojení je proud roven součtu proudů z jednotlivých panelů. Hodnota proudu také závisí na teplotě, čím vyšší je, tím vyšší je generovaný proud. Změna intenzity proudu v závislosti na teplotě je určena koeficientem I_sc panely (v našem případě 0,04 %/°C).

Maximální proud, který může jeden panel generovat, lze vypočítat pomocí vzorce:

• Isc _(tr) — hodnota proudu solární baterie při 70 °C;
• I_sc — hodnota proudu za podmínek STC specifikovaná v charakteristikách modulu (11,34 A);
• T_r — maximální teplota (70 °C);
• α_T — teplotní koeficient Isc (0,04 %/°C).

I_sc(Tr) = 11,34 · (1 + (70-25) · 0,04 / 100) = 11,54 [A]

Z výpočtů je zřejmé, že u měniče SYMO 10.0-3-M o výkonu 10 kW se nedoporučuje instalovat na první vstup MPP trackeru více než 2 paralelně zapojené solární panely a pouze sériový připojení je možné u druhého. Protože při paralelním zapojení se proudy sčítají. Součet proudů ze tří panelů (3 11,54 = 34,62 A) překročí maximální hodnotu 27 A (I dc max.₁) pro první vstup a součet proudů ze dvou panelů paralelně (2 · 11,54 = 23,08) je vyšší než 16,5 A (I dc max.₂) pro druhý vstup MPPT.

Maximální napětí obvodu

Na rozdíl od proudu se napětí dodávané solárním panelem zvyšuje s poklesem teploty panelu. Výpočty se provádějí pro limitní teplotu baterie -25 °C. Teoreticky se při dalším poklesu teploty vyskytnou vyšší napětí, ale v praxi v zimě je téměř nemožné dosáhnout teploty na solárním modulu nižší než -25 °C. C v podmínkách nezbytného osvětlení pro zahájení výroby energie. Při výpočtu maximálního napětí se bere v úvahu napětí naprázdno a teplotní koeficient β_T.

Maximální hodnota napětí se vypočítá podle vzorce:

• Uoc (Tr) – hodnota napětí při teplotě – 25 °C;
• U_oc — napětí naprázdno (49,7 V);
• Tr – minimální provozní teplota (-25 °C);
• β_T — teplotní koeficient modulu (-0,26 %/°C).

Uoc (Tr) = 49,7 · (1 + (-25 – 25) · (-0,26 / 100) ) = 56,16 [V]

Na základě této hodnoty můžeme spočítat počet modulů v řetězci zapojených do série.

kde: U_{DC max} — maximální přípustná hodnota napětí na vstupu převodníku.

N_max ≤ 1000 / 56,16 = 17,8

Zaokrouhlením dolů na nejbližší celé číslo zjistíme, že v jednom řetězci lze nainstalovat až 17 solárních panelů.

Výpočet minimálního počtu modulů v obvodu s přihlédnutím k přípustnému startovacímu napětí střídače

Každý měnič má na vstupu minimální startovací napětí, v našem případě je to 200 V.

Minimální vstupní napětí střídače Fronius SYMO 10 kW

Moduly zase dosahují svého minimálního provozního napětí při teplotním limitu 70°C. Proto je pro tuto teplotu vypočítán minimální počet panelů v řetězci se zaokrouhlením hodnoty nahoru. V tomto případě se používají vzorce:

• Uoc (Tmax) – napětí při maximální teplotě 70 ° C;
• U_oc — napětí naprázdno (49,7 V);
• T_max — maximální provozní teplota (70 °C);
• β_T — teplotní koeficient modulu (-0,26 %/°C);
• Nmin — minimální počet solárních panelů;
• U_dcZačít — Napájecí počáteční napětí (200 V).

U_{oc (Tmax)} = 49,7 · (1 + (70 – 25) · (-0,26 / 100)) = 43,88 [V]

N_min ≥ 200 / 43,88 = 4,56

Akceptujeme nejbližší celočíselnou hodnotu směrem nahoru, proto se doporučuje instalovat alespoň 5 modulů postupně do jednoho řetězce.

Určení přípustného počtu modulů v okruhu s přihlédnutím k MPP trackeru střídače

Střídač má optimální rozsah napětí pro provoz MPP trackeru. V našem případě je tento rozsah v rozmezí: 200-800 V.

Rozsah napětí pro provoz MPP trackeru střídače Fronius SYMO 10 kW

Při určování počtu modulů připojených na jeden vstup MPP je nutné určit počet panelů, které za určitých podmínek způsobí, že celý obvod bude generovat napětí v pracovním rozsahu MPPT. V tomto případě je maximální a minimální napětí solárního panelu vypočteno pro podmínky MPPT, přičemž maximální hodnota napětí je vypočtena při -25 ° C a minimální hodnota při +70 ° C. Na základě těchto hodnot je optimální počet panelů se vypočítá pomocí vzorce:

• Umpp (Tmax) – napětí solárního článku při 70 °C;
• Umpp _(stc) — optimální napětí MPPT (41,5 V);
• T_max — maximální provozní teplota (70 °C);
• β_T — teplotní index modulu (-0,26 %/°C);
• N_min — minimální počet modulů v řetězci;
• UDC _min — minimální hodnota MPPT střídače (200 V);

U_{MPP (Tmax)} = 41,5 · (1 + (70 – 25) · (-0,26 / 100)) = 36,64 [V]

N_min U_{MPP (Tmax)} ≥ 200

N_min ≥ 200 / 36,64 = 5,46

Výsledek zaokrouhlíme na nejbližší vyšší hodnotu. Pro optimální provoz střídače MPPT se proto doporučuje instalovat alespoň 6 modulů do řetězce.

Kontrola celkového počtu solárních modulů s ohledem na jmenovitý výkon střídače

Obvykle výrobci doporučují připojit solární panely ke střídači s celkovým výkonem 0,8-1,2 k jmenovitému výstupnímu výkonu střídače pro optimální provoz střídače. V našem případě má měnič jmenovitý výstupní výkon P _ac,r = 10 000 W. Optimální hodnota celkového výkonu solárních panelů se tedy pohybuje v rozmezí 8 000 – 12 000 W.

Někdy výrobci povolují větší počet solárních panelů s poměrem až 1,6. Takové spojení může být opodstatněné v případě propojování okruhů panelů s rozdílnou orientací vůči jihu, přítomností zastíněných oblastí a/nebo v oblastech s nízkou intenzitou slunečního záření. Při navrhování systému s takovým přetížením byste se měli ujistit, že výrobce tuto možnost umožňuje a že střídač tímto způsobem instalace neztratí záruku.

Spočítejme si počet modulů podle doporučeného rozsahu:

kde: P _ac,r — jmenovitý výkon střídače (10 000 W).

Výsledné hodnoty jsou zaokrouhleny nahoru na nejbližší celé číslo pro minimální hodnotu a dolů pro maximální hodnotu:

10 000 0,8 / 450 ≤ N _{součet gen} ≤ 10 000 1,2 / 450

18 ≤ N _{součet gen} ≤ 26

Optimální počet solárních panelů by se tedy měl pohybovat v rozmezí od 18 do 26 ks.

Příklad zapojení solárních panelů dle výpočtu

Podle výpočtů je doporučeno připojit 10 až 10.0 solárních panelů LG3N18W-E26 k 450 kW měniči SYMO 2-6-M. V tomto případě by jeden řetězec měl obsahovat 5 až 17 panelů zapojených do série. Paralelní připojení panelů maximálně ve 2 řadách je možné na jeden ze vstupů MPP.

Sergey Marinets

Autor je inženýr v oblasti obnovitelných zdrojů energie.